Aerogeelit ( lat. aer - ilma ja gelatus - jäädytetty) - materiaaliluokka, joka on geeli , jossa nestefaasi on kokonaan korvattu kaasumaisella. Tällaisilla materiaaleilla on ennätyksellisen pieni tiheys, ja niillä on useita ainutlaatuisia ominaisuuksia: kovuus, läpinäkyvyys, lämmönkestävyys, erittäin alhainen lämmönjohtavuus jne. Amorfiseen piidioksidiin , alumiinioksidiin sekä kromi- ja tinaoksideihin perustuvat aerogeelit ovat yleisiä. 1990-luvun alussa saatiin ensimmäiset hiilipohjaiset aerogeelinäytteet .
Aerogeelit kuuluvat mesohuokoisten materiaalien luokkaan , jossa ontelot vievät vähintään 50% ja yleensä 95-99% tilavuudesta ja tiheys vaihtelee 1 - 150 kg/m3 . Rakenteen mukaan aerogeelit ovat puumainen verkosto nanohiukkasista , joiden koko on 2–5 nm , yhdistettynä klustereiksi ja huokosiksi, joiden koko on enintään 100 nm .
Kemisti Stephen Kistler on tunnustettu keksinnöstä.Pacific CollegestaStocktonissa , Kaliforniassa , Yhdysvalloissa, jotka julkaisivat tulokset vuonna 1931 Nature -lehdessä .
Kistler korvasi geelissä olevan nesteen metanolilla ja kuumensi sitten geeliä paineessa, kunnes metanolin kriittinen lämpötila (240 °C) saavutettiin. Metanoli poistui geelistä tilavuuden pienentymättä; vastaavasti geeli "kuivuu", melkein kutistumatta.
Kosketuksessa aerogeelit muistuttavat kevyttä, mutta kiinteää vaahtoa, samanlaista kuin polystyreenivaahtoa . Kovalla kuormituksella aerogeeli halkeilee, mutta yleisesti ottaen se on erittäin vahva materiaali - aerogeelinäyte kestää 2000 kertaa oman painonsa kuormituksen. Aerogeelit, erityisesti kvartsi, ovat hyviä lämmöneristeitä. Ne ovat myös erittäin hygroskooppisia .
Ulkonäöltään kvartsiaerogeelit ovat läpikuultavia. Johtuen Rayleigh -valon sironnasta puumaisille rakenteille, ne näyttävät sinerviltä heijastuneessa valossa ja vaaleankeltaisilta läpäisevässä valossa. Alumiinioksidiin ( Al 2 O 3 ), zirkoniumiin ( ZrO 2 ) ja titaaniin ( TiO 2 ) perustuvilla aerogeeleillä on samanlaiset optiset ominaisuudet. Muiden metallioksidien aerogeeleillä voi olla erilaisia värejä ja läpinäkyvyyttä; joten rautaoksidiaerogeeli on läpinäkymätön ja sen väri on samanlainen kuin ruoste , vanadiinioksidiaerogeeli on läpinäkymätön, oliivinvihreä; kromioksidiaerogeeli on väriltään tummanvihreä tai tummansininen, ja harvinaisten maametallien oksideihin perustuvat aerogeelit ovat läpinäkyviä ( samariumoksidi on keltaista, neodyymioksidi on violettia, holmium- ja erbiumoksidit ovat vaaleanpunaisia) [1] . Hiilikuorogeelit ovat syvän mustia, ja ne absorboivat 99,7 % tulevasta valosta.
Yleisimmät ovat kvartsiaerogeelit . Niiden vähimmäistiheys on 1 kg/m 3 (tyhjiöversio), joka on 1000 kertaa pienempi kuin veden tiheys ja jopa 1,2 kertaa pienempi kuin ilman tiheys ( vaikka ilmoitettu tiheys ei sisällä ilmaan sisältyvän ilman painoa). rakenne, koska aerogeelit eivät kellu ilmassa). Kiinteistä aineista vain metalliset mikrohilat (joiden tiheys voi olla 0,9 kg/m 3 [2] , mikä on kymmenesosan pienempi kuin aerogeelien parhaat tiheysarvot), ilmagrafiitti ( jonka tiheys on 0,18 kg/m 3 ) ja airbrush .( 0,16 kg/m3 ) . Kvartsiaerogeelit läpäisevät valoa pehmeällä ultraviolettisäteilyllä , näkyvällä alueella (aallonpituus yli 300 nm ) ja infrapuna-alueella, mutta infrapuna-alueella on hydroksyylivyöhykkeitä 3500 cm – 1 ja 1600 cm – 1 tyypillisesti. kvartsi, joka saadaan kuivaamalla silikageelit [3] . Koska niiden lämmönjohtavuus on erittäin alhainen ( ~0,017 W/(m K) ilmassa ilmanpaineessa), [4] , joka on pienempi kuin ilman lämmönjohtavuus ( 0,024 W/(m K) ), niitä käytetään mm. rakentamiseen lämpöä eristävänä ja lämpöä pidättävänä materiaalina. Kvartsiairgeelin sulamispiste on 1200 °C.
Hiiliaerogeelit ( aerografiitit ) koostuvat nanohiukkasista, jotka on sitoutunut kovalenttisesti toisiinsa. Ne ovat sähköä johtavia ja niitä voidaan käyttää kondensaattoreiden elektrodeina. Sisäpinnan erittäin suuren pinta-alan (jopa 800 m2 / gramma ) ansiosta hiiliaerogeelit ovat löytäneet sovelluksen superkondensaattorien ( ionistorien ) valmistuksessa, joiden kapasiteetti on tuhansia faradeja . Tällä hetkellä on saavutettu indikaattorit 10 4 F/gramma ja 77 F/cm 3 . Hiiliaerogeelit heijastavat vain 0,3 % säteilystä aallonpituusalueella 250 nm - 14300 nm , mikä tekee niistä tehokkaita auringonvalon absorboijia.
Katalyytteinä käytetään alumiinioksidista valmistettuja aerogeelejä, joihin on lisätty muita metalleja . NASA kehitti gadolinium- ja terbium - lisäaineilla varustettujen alumiinioksidiaerogeelien perusteella nopean törmäysilmaisimen: hiukkasen törmäyspisteessä pinnan kanssa tapahtuu fluoresenssi , jonka intensiteetti riippuu törmäysnopeudesta.
Edellä mainituista ainutlaatuisista ominaisuuksista johtuvien lukuisten teknisten sovellusten lisäksi aerogeeli tunnetaan parhaiten Stardust-projektin käytöstä materiaalina kosmisen pölyn vangitsemiseen .
Koska aerogeelien taitekerroin on kaasumaisten ja nestemäisten (kiinteiden) aineiden taitekertoimien välissä, aerogeeliä käytetään säteilijänä varautuneiden hiukkasten Cherenkov-ilmaisimissa .
Aerogeelejä voidaan käyttää kaasu- ja nestesuodattimina.
Alumiininanohiukkasten sisältävä rautaoksidipohjainen aerogeeli voi toimia räjähteenä (E. Lawrencen mukaan nimetyn Livermore National Laboratoryn kehitystyö , USA).
Vuoden 2006 alussa jotkin yritykset, kuten United Nuclear [5] , ilmoittivat aloittavansa airgeelin myynnin organisaatioille ja yksityishenkilöille. Näytteen koosta ja muodosta riippuen hinta vaihtelee 25 dollarista (fragmentit) 125 dollariin (pala, joka mahtuu kämmenelle).
Tällä hetkellä aerogeeliä käytetään lämpöeristysmateriaalien valmistukseen teollisiin sovelluksiin.
Alison Airgel on kiinalainen korkean suorituskyvyn aerogeelipohjaisten lämmöneristysmateriaalien valmistaja.
| Aineen termodynaamiset tilat | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Vaiheen tilat |
| ||||||||||||||||
| Vaiheen siirtymät |
| ||||||||||||||||
| Hajotusjärjestelmät | |||||||||||||||||
| Katso myös | |||||||||||||||||